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超新星遗迹和脉冲星风云的X射线偏振成像

天文学进展 2024年第1期42卷 76-85页

作者：罗天贤周平南京大学天文与空间科学学院南京210046 现代天文与天体物理教育部重点实验室南京210046

年轻超新星遗迹和脉冲星风云中的高能粒子可以通过同步辐射产生X射线。对该辐射的偏振测量有助于揭示粒子加速区磁场的性质,进而研究粒子加速的机制。首颗X射线偏振成像卫星于2021年底发射升空,已揭示了数个年轻超新星遗迹和脉冲星风云... 详细信息

年轻超新星遗迹和脉冲星风云中的高能粒子可以通过同步辐射产生X射线。对该辐射的偏振测量有助于揭示粒子加速区磁场的性质,进而研究粒子加速的机制。首颗X射线偏振成像卫星于2021年底发射升空,已揭示了数个年轻超新星遗迹和脉冲星风云的X射线偏振图像。观测显示,仙后A和第谷超新星遗迹的偏振度较低,平均值分别约为2.5%和9%;而蟹状星云和船帆脉冲星风云的偏振度较高,平均值分别约为20%和45%。结果表明脉冲星风云的磁场较为有序,而两个年轻超新星遗迹的粒子加速区磁场是高度湍动的,且激波附近的磁场结构呈现径向分布。未来,随着对IXPE的使用越来越广泛,以及与我国建设中的增强型X射线时变与偏振探测器(eXTP)等更多望远镜投入使用,以上两类天体的磁场构型和粒子加速模型将得到进一步的限定。

关键词：超新星遗迹脉冲星风云偏振 X射线天文学粒子加速

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太阳高能粒子激波加速能谱的统计分析：ACE观测

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地球物理学进展 2023年

作者：童恭圣何宏青罗洁李景中国科学院大学地球与行星科学学院中国科学院地质与地球物理研究所地球与行星物理院重点实验室长沙理工大学数学与统计学院

太阳高能离子对地球的无线电短波通信有着及其重大的影响. 太阳高能离子的扩散激波加速(DSA)是指粒子在激波上下游区域来回散射并且多次穿越激波面而获得能量的过程. 在本工作中，我们使用了ACE飞船在1AU处的相关离子测量，在47.0keV... 详细信息

太阳高能离子对地球的无线电短波通信有着及其重大的影响. 太阳高能离子的扩散激波加速(DSA)是指粒子在激波上下游区域来回散射并且多次穿越激波面而获得能量的过程. 在本工作中，我们使用了ACE飞船在1AU处的相关离子测量，在47.0keV—4.80MeV的良好计数统计数据，检查了1998—2014年在1AU观测到的76个行星际激波的离子加速. 在所选的60个准垂直(16个准平行)激波事件中，～88.33%(81.25%)、～48.33%(43.75%)分别在47.0keV和4.8MeV上显示了JD/JA>1.5的显著离子通量增强，其中JD和JA是激波下游和上游的环境太阳风中的离子通量. 在我们所考虑的激波参数中， JD/JA(JD)都与磁场压缩比rB的正相关程度最高. 通过统计分析，我们量化了影响高能离子能谱的可能因素，结果表明，在我们所选取的激波参数和等离子参数中，激波压缩比r与下游能谱指数sE，d的相关性最弱，这一点与经典的DSA预测的能谱指数结果形成鲜明的对比. 而上游太阳风速度Vsw与下游离子能谱指数的相关性最大，并且下游离子能谱指数sE，d随着上游太阳风速度Vsw的变化呈现出类反比例似的下降趋势，即一开始下降速度快然后慢慢变缓. 此外，结合其他可能因素的分析可以反映出激波加速离子的能谱是多个因素耦合的结果，而不是依赖于某个因素就能达成的结果.

关键词：粒子加速激波太阳高能粒子空间等离子体

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等离子体湍动对准垂直激波中粒子加速的影响

地球物理学报 2013年第7期56卷 2171-2176页

作者：郝宇飞陆全明高新亮单立灿王水中国科学技术大学地球物理和行星科学技术系合肥230026

本文利用试验粒子方法研究了在考虑等离子体湍动的情况下带电粒子在准垂直激波中的加速,在计算中,我们采用组合模型来拟合等离子体湍动.计算结果表明,在存在等离子体湍动的情况下,粒子可横越背景磁场运动,从而被激波反射的上游粒子在到... 详细信息

本文利用试验粒子方法研究了在考虑等离子体湍动的情况下带电粒子在准垂直激波中的加速,在计算中,我们采用组合模型来拟合等离子体湍动.计算结果表明,在存在等离子体湍动的情况下,粒子可横越背景磁场运动,从而被激波反射的上游粒子在到达下游后可被等离子体湍动散射回到上游,并再次被激波反射并加速,这样的过程可重复很多次,因而粒子可被加速到很高的能量.我们还研究了激波角,粒子的初始能量和等离子体湍动的强度,以及相干长度和两种湍动组分强度比与加速粒子的能谱之间的关系.

关键词：试验粒子方法激波粒子加速等离子体湍动

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日冕激波加速的高能粒子及双幂律能谱特征研究

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日冕激波加速的高能粒子及双幂律能谱特征研究

作者：于飞瑜山东大学

学位级别：硕士

太阳耀斑和日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection,CME）爆发期间,大量的带电粒子在短时间内被加速到很高的能量（如质子最高可被加速到～GeV）,进而造成近地空间中高能量粒子的通量突然增强,称为太阳高能粒子（Solar Energetic Particle... 详细信息

太阳耀斑和日冕物质抛射（Coronal Mass Ejection,CME）爆发期间,大量的带电粒子在短时间内被加速到很高的能量（如质子最高可被加速到～GeV）,进而造成近地空间中高能量粒子的通量突然增强,称为太阳高能粒子（Solar Energetic Particles,SEP）事件。SEP事件是太阳爆发期间发生的灾害性空间天气事件,这些高能粒子会对近地空间造成严重的影响,会毁坏空间中的卫星及星载设备、威胁宇航员的生命安全等。因此,SEP加速和传播的研究不仅是空间物理研究领域十分关键的科学问题,对于认识日地空间环境和空间天气的规律也是十分重要的。SEP的加速机制主要包括耀斑磁场重联和CME驱动的激波。在一些大型SEP事件和GLE事件中,CME激波可在低日冕形成并有效地加速粒子至高能量。在本论文中,我们利用数值模拟方法研究了日冕中CME激波对不同种类粒子的加速,包括质子（H）、氦（He）、氧（O）、镁（Mg）、铁（Fe）等不同离子。在第2章中,我们首先考虑了不同磁场结构、不同湍流谱指数的情况下被日冕激波加速的不同种类粒子的能谱和空间分布,进而分析了粒子的能谱是否为双幂律谱、断点能量和粒子荷质比之间的关系等。在第3章中,对双幂律谱的形成机制进行了讨论。第4章中,比较了不同种类粒子元素丰度比值随能量的变化。在第2章中,基于前期构建的日冕激波粒子加速数值模型,研究了日冕激波扫过不同日冕磁场结构时对粒子加速的影响,分析了不同种类粒子的双幂律特征以及断点能量EB和离子的荷质比Q/A之间的关系。研究发现,当湍动磁场形式为Kolmogorov谱时,激波扫过径向磁场和冕流磁场时,被加速的不同种类粒子（H、He、O、Mg、Fe）在整个模拟域中的积分能谱在低能段都近似为幂律谱,谱指数与扩散激波加速理论预测一致。在径向磁场中,高能量段的粒子能谱发生向下翻转;而在冕流磁场中,高能量段的粒子能谱表现为幂律谱,即整体上是双幂律谱。此外,在粒子能谱中可以看到,随着被加速粒子的质量增大,即Q/A值的减小,断点能量值也逐渐减小,可用幂律函数拟合。在激波扫过径向磁场和冕流磁场的情况下,被加速的低能量（＜10 MeV）质子沿着激波前沿都近似均匀分布。但是,高能量质子的空间分布却不相同。激波扫过径向磁场时,高能粒子（＞40 MeV）主要分布在激波的两个侧翼,因为激波的侧翼区域对应于准垂直激波位型,有利于粒子获得优先加速。激波扫过冕流磁场时,高能粒子（＞90 MeV）主要集中在冕流的闭合磁力线区域。这是因为在冕流区域,闭合磁力线有利于捕获粒子,使其多次穿过激波面被加速,且准垂直激波位型也有利于粒子加速。进一步研究了日冕激波加速下不同湍动磁场对粒子加速的影响,给出了湍流谱指数为1.9、1.1和0.5这三种情况时激波扫过冕流磁场被加速粒子的能谱。发现对整个模拟域积分的粒子能谱都是符合Band方程的双幂律谱,断点能量EB和离子的Q/A都满足幂律关系:EB～（Q/A）α,其中α的取值范围:0.16～1.2,均与Cohen等人基于等扩散系数条件得到的理论结果一致。在第3章中,我们对双幂律能谱的形成机制进行了进一步讨论。如果将模拟域简单分成开放磁场区域和冕流闭合磁场区域,发现这两个区域中的粒子能谱都表现为幂律谱×指数下降的形式,而对整个模拟域积分的粒子能谱则近似为双幂律谱。基于之前的工作进展,我们提出了一个多源区SEP混合的双幂律谱的“叠加图景”。不同源区的粒子加速效率不同,对应的粒子能谱也不同,如果按照一定条件发生混合则会使得高能量段的能谱发生抬升、变为双幂律谱。我们进一步在冕流区域、非冕流区域、二者之间的过渡区域中各选择了一个小的局部区域来分析粒子的能谱。虽然在冕流区域中粒子得到了有效的加速,被加速的粒子能谱仍然类似于幂律谱×指数下降的形式。然而,在过渡区域中的粒子能谱可以用双幂律谱进行拟合。这是因为,高能量（＞100 MeV/nuc）粒子主要来自于粒子加速效率更高的冕流区域,这些高能粒子从冕流区域通过扩散与局地加速的较低能粒子种群发生混合而产生双幂律能谱。扩散激波加速理论要求各向异性必须要足够小,导致所谓的粒子“注入能量”问题。我们的数值模拟发现,当考虑注入能量与激波几何位型存在依赖关系时,在过渡区域（区域Ⅲ）中仍然可以得到双幂律谱分布,这说明所提出的双幂律谱的“叠加图景”仍然是合理的。此外,日冕中的冕流与非冕流区域的粒子密度差别较大,这可能会影响沿着激波前沿的粒子注入效率。我们发现,当冕流区域和非冕流区域的粒子注入效率比值为10时,在过渡区域（区域Ⅲ）中仍然会出现双幂律谱特征。这是因为只有一小部分（～5%）的高能粒子扩散到区域Ⅲ,对区域Ⅲ双幂律谱的高能量部分产生贡献。在大型SEP事件中,不同离子的元素丰度比表现出不同的能量依赖性。在部分SEP事件中,Fe/O随着能量的增加而下降;但是在另外一些SEP事件中,Fe/O会随着能量的增加而上升。在第4章中,基于我们提出的

关键词：太阳高能粒子日冕物质抛射激波冕流粒子加速

粒子加速国之大贤——缅怀方守贤院士对粒子加速器事业的贡献

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物理 2020年第5期49卷 285-291页

作者：陈和生张闯中国科学院高能物理研究所北京100049

2019年3月初,方守贤先生从上海参加质子治疗加速器的调试研究返京后突发肺炎,与病魔顽强抗争了10个多月,于2020年1月19日在医院平静地离去。87年的光辉岁月,他用生命实践了“为祖国建造世界一流的高能加速器”的誓言。

关键词：生命实践粒子加速质子治疗方守贤高能加速器调试研究世界一流

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高能粒子加速机制的研究——应用于黑洞X射线双星环境

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高能粒子加速机制的研究——应用于黑洞X射线双星环境

作者：李芷任湘潭大学

学位级别：硕士

宇宙高能粒子的起源一直是非常活跃的研究主题。在天体物理源中,低能的背景热电子被各种潜在的加速机制能化到极高能量,导致的高能粒子具有较大的平均自由程而形成非热谱分布。随着卫星技术日益精进,粒子加速现象已被间接观测到,为研究... 详细信息

宇宙高能粒子的起源一直是非常活跃的研究主题。在天体物理源中,低能的背景热电子被各种潜在的加速机制能化到极高能量,导致的高能粒子具有较大的平均自由程而形成非热谱分布。随着卫星技术日益精进,粒子加速现象已被间接观测到,为研究粒子起源及其在各天体物理坏境中发生的物理过程奠定了基础。本论文的研究主要致力于电子如何在磁湍流中获得加速和磁化程度如何影响黑洞X射线双星中的偏振观测现象。详细阐述各种粒子的加速理论后(第二章),本论文研究了X射线双星磁化喷流环境中相对论电子的随机加速和激波加速过程(第三章)。通过比较磁化喷流在随机磁场和有序大尺度磁场间的不同特征,数值求解沿着喷流轴向的粒子输运方程。为了更好地理解以上问题,湍流磁化的X射线双星采用锥形结构,以探索相对论粒子如何在喷流中加速。我们采用有限差分方法数值求解含各种辐射冷却项的电子输运方程。借此,我们探究磁湍流程度,电子注入方式,加速区域以及各种冷却机制对加速效率的影响。主要结论:(1)喷流中的湍流磁场占主导地位时,背景热电子会被加速到相对论速度;(2)电子的有效加速依赖于磁湍流的程度,并且磁湍流的平或陡谱对相对论电子的加速有显著影响;(3)有效加速区域位于离中心黑洞的距离大于10R(R为引力半径)。加速机制与各种冷却机制之间的竞争决定了电子的最终能量,被加速电子谱分布相比初始谱形具有更延展的结构。第四章研究磁湍流重联加速及其磁湍流在X射线双星喷流中如何影响偏振观测。通过数值方法,首先计算了典型微类星体的光谱能量分布和偏振度,然后应用模型研究了黑洞X射线双星Cygnus X-1的偏振辐射特性。研究表明:(1)含磁湍流的模型能较好地解释Me V尾的高偏振度,并能预测高能伽马射线区的高偏振特性;(2)小尺度随机磁场对解释硬X射线和软伽马射线波段的高偏振观测具有重要意义。

关键词：粒子加速辐射机制湍流磁流体力学偏振 X射线双星

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磁重联电流片中的粒子加速

磁重联电流片中的粒子加速

作者：李燕中国科学院研究生院（云南天文台）

学位级别：硕士

太阳是巨大的高能粒子加速器,能产生高达数十GeV的离子和数十MeV的电子。耀斑是太阳大气中剧烈的能量释放过程,高达10-10erg的能量在10-10s时间内释放,10-100keV的电子和大于1MeV的离子包含了其中10%-50%的能量,这意味着加速和能量释放... 详细信息

太阳是巨大的高能粒子加速器,能产生高达数十GeV的离子和数十MeV的电子。耀斑是太阳大气中剧烈的能量释放过程,高达10-10erg的能量在10-10s时间内释放,10-100keV的电子和大于1MeV的离子包含了其中10%-50%的能量,这意味着加速和能量释放过程密切相关的。加速的电子、质子通过和周围大气的碰撞产生硬x射线和γ射线。硬X射线给我们提供了耀斑能量释放过程和粒子加速的机制最重要的信息。所以,粒子加速就成为太阳耀斑最有吸引力的方面之一。本文分为以下几部分: 第一章,介绍耀斑观测及其能量释放过程。第二章,分析了几种不同的加速机制。第三章,采用试验粒子的方法,研究了在有引导磁场Bz存在的磁重联电流片中,电子被super-Dreicer电场Ez加速后的运动特征。引导磁场在电流片中被认为是恒定不变的,但其具有不同的取向,这种情况直接改变了电子运动轨迹,使得其沿着不同的路径离开电流片。在Bz和Ez同向时,能量较高电子的pitch-angle接近于180°。相反,当Bz和Ez反向时,高能电子pitch-angle接近0°。引导磁场的取向只是使电场有选择地对不同区域的电子进行加速,但不会影响电子最终的能量分布。粒子能谱是普遍的幂率谱E,而γ的大小依赖于引导磁场的大小、电流片的尺度及磁重联电场的强弱。

关键词：太阳:磁场重联粒子加速

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激光等离子体中强朗缪尔激元对粒子的加速

激光等离子体中强朗缪尔激元对粒子的加速

作者：路飞飞南昌大学

学位级别：硕士

随着超短超强激光技术的发展,人们对激光等离子体中的荷电粒子加速问题产生了浓厚的兴趣。由于电子加速在新型粒子加速器、惯性约束聚变的快点火等应用中起着重要的作用,因此对电子加速的研究备受人们的关注。同样,通过研究离子加速,我... 详细信息

随着超短超强激光技术的发展,人们对激光等离子体中的荷电粒子加速问题产生了浓厚的兴趣。由于电子加速在新型粒子加速器、惯性约束聚变的快点火等应用中起着重要的作用,因此对电子加速的研究备受人们的关注。同样,通过研究离子加速,我们可以获得激光等离子体相互作用过程中很多有价值的信息,比如分析激光自聚焦、通道的形成、反常中子的产生以及激光在等离子体中强度的变化等现象。现有的电子加速机制有:激光尾场加速、拍波加速、逆韧制辐射加速、逆契仑柯夫加速等。同样,离子加速机制有:快电子产生的静电场对离子的加速、超强激光引起的库仑爆发加速、薄片状冲击波加速等。这些加速机制都能很好地解释高能粒子为什么能够加速,然而,它们却没能对一些实验室中观测到的高能离子、电子能谱为什么呈指数的形式进行解释。激光在等离子体中存在着多种等离子体不稳定性,波和粒子之间进行着频繁的相互作用,波和波之间又存在着各种形式的能量交换,构成一幅非常复杂的相互作用图像。其中,由于调制不稳定性的存在,朗缪尔波的空间尺度变得越来越短,最后导致朗缪尔波坍塌,形成强朗缪尔湍动。在这个过程中,电场引起的有质动力发挥着重要作用。当朗缪尔波的振幅很大时,有质动力将等离子体从强电场区域排向弱电场区域,同时朗缪尔波被压缩。这种过程的延续会使高场强区域尺度越来越小,场强越来越高;当场强达到足够高时,由于强朗缪尔激元和粒子频繁的“碰撞”,能量从朗缪尔激元向粒子转移,最终实现粒子加速。本文利用强朗缪尔激元湍动加速机制分别研究了激光等离子体中离子和电子的加速。从福克——普朗克方程出发,考虑激光等离子体临界面附近的边界条件,分别得到了离子和电子的能量谱函数。理论得到的粒子能量谱呈指数形式。根据不同实验条件,恰当的调整参数,发现理论得到的能量谱能够与大部分实验观测谱很好的拟合。分析可知,强朗缪尔激元的湍动加速机制解释激光等离子体中的离子或电子的加速问题是非常有效地。

关键词：激光等离子体粒子加速朗缪尔激元湍动

超高能粒子加速的新途径——调相聚焦激光加速器

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中国科学:数学 1979年第10期 953-963页

作者：彭桓武庄杰佳中国科学院高能物理所中国科学院理论物理研究所中国科学院高能物理所

激光加速器的最主要特点是光频波长较微波短,我们由电动力学基本理论对激光加速器进行了分析,提出利用调相聚焦激光轴对称焦斑电场来加速带电粒子,在一定条件下,存在着稳定加速区,无需外加聚焦透镜,聚焦加速电场的相速度大于光速,通过... 详细信息

激光加速器的最主要特点是光频波长较微波短,我们由电动力学基本理论对激光加速器进行了分析,提出利用调相聚焦激光轴对称焦斑电场来加速带电粒子,在一定条件下,存在着稳定加速区,无需外加聚焦透镜,聚焦加速电场的相速度大于光速,通过沿轴向每隔一定距离（称为调相距离）改变一下入射激光束的光程,使到轴上激光的相位仍处于稳定加速区,粒子就可获得持续稳定的加速,在机计算表明,在一定的聚焦能力下,调相距离可达波长量级,当入射脉冲激光功率密度为5×10瓦/厘米时,其加速能力可达90GeV/米,比目前微波加速器高约4个量级,加速器尺寸也可有相应量级的缩小,投资可大幅度下降,因此容易实现把粒子加速到超高能区,它既可加速质子,也可加速电子,此外,还具有加速短寿命粒子等优点,由于工作波长短,束流强度可能比目前加速器弱些。

关键词：激光加速器加速能力超高能激光波长粒子加速调相相位调制指数调制